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BCIERMMI Control Number: 2018-03BCIERMMI Classification (2018): 251018-0301

Pages: 29

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Title: Software para el Diseño de Circuitos de Microondas

Author: Edgar Alejandro, ANDRADE-GONZÁLEZ, Mario, REYES-AYALA, José

Alfredo, TIRADO-MÉNDEZ, Hilario, TERRES-PEÑA

Introducción

• Herramientas de Simulación• FEKO

• Microwave Office

• High Frequency Structure Simulator (HFSS)

• Advanced Design System (ADS)

• Etc.

Redes de Acoplamiento

• De Banda Angosta• Transformador l/4 (para impedancias reales)

• Redes tipo L

• STUB en paralelo y serie ( en corto y a circuito abierto)

• De Banda Ancha• Binomial

• Chebyshev

Transformador l/4

Transformador l/4

𝑍𝑒𝑛𝑡 = 𝑍1𝑅𝐿 + 𝑗𝑍1 tan 𝛽𝑙

𝑍1 + 𝑗𝑅𝐿 tan 𝛽𝑙

• Se obtiene𝑍1 = 𝑅𝐿𝑍0

• Z1 : impedancia que debe presentar el transformador de l/4

• Z0 : impedancia a acoplar

• RL : impedancia de carga (real)

Transformador l/4

Calcular el ancho de la microcinta en base a las características del dieléctrico (grosor y permitividad efectiva), así como en base a la frecuencia de operación.

𝜀𝑒 =𝜀𝑟 + 1

2+𝜀𝑟 − 1

2

1

1 + 12𝑑𝑊

Transformador l/4 (aplicación)

Redes tipo L

Redes tipo L• Permite el acoplamiento de impedancias

complejas.

• Dos tipos de cálculos, cuando:• Z0>RL

• Z0<RL

Redes tipo L (Z0<RL)

𝐵 =𝑋𝐿 ± 𝑅𝐿 𝑍0 𝑅𝐿

2 + 𝑋𝐿2 − 𝑍0𝑅𝐿

𝑅𝐿2 + 𝑋𝐿

2

𝑋 =1

𝐵+𝑋𝐿𝑍0𝑅𝐿

−𝑍0𝐵𝑅𝐿

Redes tipo L (Z0<RL)

𝑋𝐿 = 𝑗𝜔𝐿

𝑋𝐶 = −𝑗

𝜔𝐶

𝐵𝐿 = −𝑗

𝜔𝐿

𝐵𝐶 = 𝑗𝜔𝐶

Dado Por lo tanto

Si 𝑋 > 0 se obtiene Inductor

Si 𝑋 < 0 se obtiene Capacitor

Si 𝐵 > 0 se obtiene Capacitor

Si 𝐵 < 0 se obtiene Inductor

Redes tipo L (aplicación)

Redes tipo STUB (paralelo)

Redes tipo STUB (paralelo)

𝑡 =𝑋𝐿± 𝑅𝐿 𝑍0−𝑅𝐿

2+𝑋𝐿2 𝑍0

𝑅𝐿−𝑍0𝑅𝐿 ≠ 𝑍0

𝑡 = −𝑋𝐿

2𝑍0𝑅𝐿 = 𝑍0

Redes tipo STUB (paralelo)

tan−1 𝑡

2𝜋para 𝑡 ≥ 0

π+tan−1 𝑡

2𝜋para 𝑡 < 0

𝐵 =𝑅𝐿2𝑡− 𝑍0−𝑋𝐿𝑡 𝑋𝐿+𝑍0𝑡

𝑍0 𝑅𝐿2+ 𝑋𝐿+𝑍0𝑡

2

Redes tipo STUB (paralelo)

• Ahora, existen dos opciones con las cuales se puede implementar el STUB en paralelo: en circuito abierto o en corto circuito.

• Para el caso en que RL es diferente a Z0, se obtienen dos valores de t y por ende de d/l, de la misma forma que habrá dos valores de B.

• Para STUB en circuito abierto, deberá encontrarse los dos valores de lo1/l, lo2/l y para corto circuito ls1/l, ls2/l. los valores de l deberán encontrarse de la misma forma que el transformador l/4 y así finalmente encontrar el ancho de la microcinta, la distancia d y l del STUB paralelo.

Redes tipo STUB (aplicación)

Resultados (Transformador l/4)Impedancia de fuente de 50 W, impedancia de carga de 100 W, a una frecuencia de 2 GHz

Como resultado se obtuvo que la microcinta tendrá una longitud de 27.81 mm y un grosor de 2.24 mm

Resultados (Transformador l/4)Empleando el Analizador de Redes de Microondas Agilent N5244A (parámetro S11)

Máximo acoplamiento de -24.67 dB a los 2.011 GHz

Resultados (STUB en paralelo)Para acoplar impedancia de fuente de 50 W con una impedancia de carga de 100 W con un capacitor de 10 pFa una frecuencia de 2 GHz y dado una placa fenólica de con una permitividad relativa de 2.2 con un espesor de 1.27 mm.

• Para circuito abierto:

• d1=15.78 mm y lo1=43.95 mm

• d2=37.18 mm y lo2=10.83 mm

• Para corto circuito:

• d1=15.78 mm y ls1=16.55 mm

• d2=37.18 mm y ls2=38.23 mm

Resultados (STUB en paralelo)

Eligió D1 para ambos circuitos, con las longitudes lo1=43.95 mm y ls1=16.55 mm (para circuito abierto y corto circuito respectivamente)

Resultados (STUB en paralelo) distancia D1

Circuito Abierto Corto Circuito

Resultados (STUB en paralelo) longitud lo1 y ls1

Circuito Abierto Corto Circuito

Resultados (STUB en paralelo) parámetro S11 a Circuito Abierto

Resultados (STUB en paralelo) parámetro S11 en Corto Circuito

Resultados (STUB en paralelo)

Para el circuito STUB abierto se presentó la

resonancia en 1.864 GHz con un parámetro S11 de

-26.52 dB y en el circuito STUB en corto a la

frecuencia 1.84 GHz con un parámetro S11 de -

20.21 dB.

Análisis

para el transformador de l/4 a los 2 GHz se

obtuvo un S11 de -24.65 dB a diferencia del

máximo que se presentó en los 2.011 GHz con un

S11 de -24.67 dB (error del 0.55 %)

Análisis

Para el caso del STUB en circuito abierto a los 2

GHz. se obtuvo un S11 de -11.45 dB a diferencia

del máximo obtenido (-26.52 dB) a la frecuencia

1.864 GHz (error de 6.8 %)

Análisis

STUB en corto circuito a los 2 GHz. se obtuvo un

S11 de -15.3 dB a diferencia del máximo obtenido

(-20.21 dB) a la frecuencia 1.84 GHz. (error de

8.025%)

Conclusiones• El presente trabajo resulta de la necesidad de contar con

herramientas gratuitas para el diseño de circuitos de alta frecuencia para su aplicación en comunicaciones.

• Por el momento sólo se presentan los diseños mencionados en el trabajo, aunque se están desarrollando transformadores de banda ancha y se persigue también en un mediano plazo contar con las simulaciones de la respuesta en frecuencia.

• De igual forma se desarrollaron los circuitos del transformador de l/4 y el STUB en paralelo a frecuencias de 2 GHz.

• Todos los circuitos a las frecuencias de resonancia presentaron S11 de por lo menos los – 10 dB.

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